¿Por qué se requiere retroalimentación en los circuitos del amplificador operacional?

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Entiendo que, para que un amplificador operacional funcione correctamente, se requiere un circuito de retroalimentación de CC desde la salida a la entrada inversora o no inversora (dependiendo de los circuitos externos).

¿Cuál es el propósito de la retroalimentación DC cuando se usan amplificadores operacionales? ¿Por qué es necesario y cuáles serían los efectos sin él?

usuario1083734
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Es una conspiración de un consorcio de fabricantes de resistencias.
Olin Lathrop
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Porque funciona sorprendentemente bien. La mayoría de los ingenieros no tienen esta experiencia, pero: Realmente utilizan análisis nodales sin la suposición de OpAmp ideal. Trátelo como un amplificador de ganancia finita. Verás que obtendrás resultados similares, cuando asumas que la ganancia es infinita, obtendrás un opamp ideal.
CyberMen
@OlinLathrop ¿Cómo es que no prohibieron los seguidores de voltaje?
Dmitry Grigoryev

Respuestas:

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Un opamp ideal tiene ganancia infinita. Amplifica la diferencia de voltaje entre los pines + y -. Por supuesto, en realidad, esta ganancia no es infinita, pero sí bastante grande.

La salida del opamp (en algunos casos también la entrada) está limitada por la fuente de alimentación, no podemos salir más de lo que la fuente pone.

Si simplemente colocamos señales en el opamp sin retroalimentación, las multiplicaría por infinito y obtendría una salida binaria (se saturaría en los rieles de suministro)

Entonces, necesitamos alguna forma de controlar la ganancia. Eso es lo que hace la retroalimentación.

La retroalimentación (CC y CA) forma parte de la salida amplificada de la entrada, de modo que la ganancia está limitada mucho más por la red de retroalimentación, que es predecible, y mucho menos por la ganancia de bucle abierto masiva (e impredecible).

Incluso en un circuito de CA solo necesitamos retroalimentación que funcione en CC (cero Hz) o la ganancia sería solo la del bucle abierto para las señales de CC. Su señal de CA aunque restringida se vería inundada por la ganancia de bucle abierto de CC.

Jason Morgan
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Sin comentarios, el OpAmp funciona como un comparador, por lo que la salida no tiene ningún significado.
starblue
No todos los amplificadores operacionales funcionarán como comparadores, para un comparador debe usar solo eso. Muchos comparadores no funcionarán como un buen amplificador operacional. Eso es un poco como decir que una resistencia funciona como un fusible. Sí, pero generalmente no es una buena idea. (¡Aunque sé de al menos un diseño donde está!)
Jason Morgan
.... Tal vez debería haber incluido que algunos opamps hacen cosas muy extrañas cuando son conducidos a los rieles o sobrepasados ​​su rango de CM.
Jason Morgan
Todavía puede hacerlo, editando la respuesta: también se le anima a mejorar sus publicaciones mediante la edición (botón en la parte inferior izquierda del texto)
clabacchio
@JasonMorgan: El problema no es solo el rango de modo común. Algunos amplificadores operacionales se comportarán de manera extraña si el diferencial de voltaje entre las entradas es demasiado grande, incluso si ambas entradas están dentro del rango que el dispositivo puede manejar.
supercat
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Usted ya sabe que un opamp tiene una amplificación de bucle abierto muy alta, típicamente 100 000 veces. Veamos la situación de retroalimentación más simple:

ingrese la descripción de la imagen aquí

El opamp amplificará la diferencia entre y V - : V+V

VOUT=100000×(V+V)

Ahora y V - = V O U T , entoncesV+=VINV=VOUT

VOUT=100000×(VINVOUT)

o, reorganizando:

VOUT=100000100000+1×VIN

Eso es tan bueno como

VOUT=VIN

Este es un seguidor de voltaje , un amplificador 1, que se utiliza principalmente para obtener una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.×

La retroalimentación reduce la muy alta amplificación de bucle abierto a 1. Obsérvese que se necesita la alta amplificación para obtener V O U T lo más cerca posible a V I N .×VOUTVIN

editar
Ahora usando solo una fracción del voltaje de salida en la retroalimentación podemos controlar la amplificación.

ingrese la descripción de la imagen aquí

De nuevo

VOUT=100000×(V+V) ,

V+=VINV=R1R1+R2×VOUT

VOUT=100000×(VINR1R1+R2×VOUT)

O:

VOUT=100000×VINR1R1+R2×100000+1

El término "1" puede ignorarse, de modo que

VOUT=R1+R2R1×Vyonorte

Observe que tanto en el seguidor de voltaje como en este amplificador no inversor, el factor de amplificación real de las cancelaciones de amplificador operacional siempre que sea lo suficientemente alto (>> 1).

stevenvh
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El amplificador operacional ideal tiene ganancia infinita, y esto es de poca utilidad en electrónica analógica. La retroalimentación se usa para limitar la ganancia del circuito. Puedes encontrar muchos ejemplos en el artículo wiki .

Considere el ciclo de retroalimentación simple:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Votut=UNVX

Vf=FVout

Vx=VinVf=VinFVout

Vout=AVinAFVout

Av=VoutVin=A1+AF

In the case of the op-amp, its gain defines A: it will be a quite nasty function, because these amplifier are made for just giving brutal gain, and won't have a nice linear function. Luckily, if you look at Av, if A is big enough it will cancel the 1 and itself leaving 1/F to determine the gain.

En el caso del amplificador no inversor, el bloque F es un divisor de voltaje, por lo que será algo así como 1 / X. Esto establecerá la ganancia del amplificador en X.

En el caso de los amplificadores operacionales reales, A no será infinito, sino lo suficientemente grande como para permitir cancelarlo en la ecuación de ganancia de CC. Y las ventajas de la retroalimentación son aún más, como aumentar el ancho de banda, la linealidad, la relación S / N y más. Por ejemplo, en un circuito cerrado, la ganancia está determinada solo por el inverso de la ganancia de retroalimentación, siempre que la ganancia del amplificador operacional sea lo suficientemente grande.

En realidad, una sola resistencia no es tan útil como retroalimentación, ya que se comporta igual que un cortocircuito. Un divisor de voltaje a tierra hace que se comporte como un multiplicador de relación fija del mismo factor (por la misma razón mencionada anteriormente).

clabacchio
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Gracias, entiendo que se necesita una retroalimentación principalmente para controlar la ganancia del amplificador, por lo que sea cual sea la ganancia de retroalimentación, la ganancia del amplificador será igual a su inversa. ¿Es eso correcto?
user1083734
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Y entiendo correctamente que la resistencia única entre salida y entrada no es efectiva porque no alterará / dividirá Vout y, por lo tanto, la ganancia del amplificador será la misma que su ganancia de bucle abierto, sin ninguna retroalimentación. No estoy seguro de este último punto.
user1083734
@user1083734 it's right: if you understand how the op-amp works, and what is the transfer function of the feedback circuit, you are a step closer to understand the whole circuit
clabacchio
Is the feedback transfer function the same as the transfer function of the whole circuit? I can calculate the latter, but do not know how to calculate the former.
user1083734
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The purpose of DC feedback is to define what you want the op-amp to do, i.e. what its output voltage will be. Without it, the output will rise or fall until it hits the power rails.

This can be useful, and there is a large market for op-amps specialized to work this way, called "comparators".

Un comparador es simple: si la entrada + es mayor que la entrada -, la salida es + Vcc. De lo contrario, la salida es −Vee. El símbolo esquemático es el mismo que el de un amplificador operacional, e incluso con el suficiente esfuerzo pueden ser inducidos a trabajar en ambos roles, pero en la práctica, los dos tipos son altamente especializados, y tales esfuerzos realmente no valen la pena.

Con la ruta de retroalimentación de CC, un amplificador operacional puede ser estable en algún punto que no sea "salida fuerte contra los rieles", y el circuito generalmente está diseñado para encontrar ese punto.

En lugar de pensarlo estáticamente, piense en un amplificador operacional como integrador. Siempre que su entrada + sea mayor que su entrada -, la salida de un amplificador operacional AUMENTARÁ, rápidamente. Este aumento debería ser las entradas más cercanas entre sí, finalmente deteniéndose cuando son iguales. Del mismo modo, + input menor que - input hará que la salida se caiga. La retroalimentación es generalmente a la entrada - porque esa es la forma más simple de hacer un circuito que funcione de esta manera.

Daniel Martin
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"Este aumento debería ser la entrada más cercana, y finalmente se detendrá cuando sean iguales". No explicas por qué sucede eso.
stevenvh
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Un amplificador de error de fuente de alimentación típico no tiene una ruta de retroalimentación de CC:

Nota de la aplicación Sipex - amplificador de error

Sin embargo, puedo asegurarle que este amplificador funciona bastante bien.

Visualice este amplificador de error que controla un convertidor reductor . Vcomp se usaría para controlar el ciclo de trabajo de un interruptor, que controla el flujo de corriente a través de un inductor y controla Vout. A medida que aumenta Vcomp, también lo hace el ciclo de trabajo, lo que hace que Vout aumente y Vcomp disminuya. La red de compensación aumentará o disminuirá Vcomp de manera controlada, para forzar a Vout a que coincida con Vref (tan cerca como lo permita el opamp).

[Por supuesto, el tren de fuerza está proporcionando algo parecido a la retroalimentación de CC, pero estoy divagando :)]

Adam Lawrence
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Creo que está complicando demasiado las cosas tratando de encontrar una excepción a la respuesta de OP, especialmente porque está preguntando sobre la retroalimentación (trate de abstraerse de él mencionando una resistencia) y su circuito en realidad TIENE retroalimentación, pero solo para señales de CA.
clabacchio
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El circuito también depende de la retroalimentación de CC. Simplemente no se muestra en el circuito. El circuito que se muestra no es el amplificador completo. Vcomp controla el ciclo de trabajo de un interruptor que luego controla Vout, y esta es efectivamente una ruta de retroalimentación de CC. Tiene que haber retroalimentación de CC, de lo contrario, ¿qué estabilizará el amplificador? La retroalimentación local de CA no hará eso.
Kaz
@Kaz Supongo que Olin es la única persona a la que se le permite divertirse aquí.
Adam Lawrence
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La retroalimentación de CC en los usos del amplificador operacional debido a la estabilidad, también la ganancia del amplificador operacional es demasiado alta, por lo que utilizamos la retroalimentación para tener una ganancia específica en la salida

aazp
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"DC feeback en usos opamp debido a la estabilidad" no tiene sentido, al menos en inglés.
Olin Lathrop